甲醇项目产量提升后，如何通过先进控制降本增效？

甲醇项目产量提升后，如何通过先进控制降本增效？

某公司已投产60万t/a甲醇项目，经过工艺设备改造、操作人员技能提升，整个装置甲醇产量已达到75万t/a。随着企业用工成本逐年上升，甲醇成本也随之上升，如何降本增效，增强企业市场竞争力成为管理者首要考虑的问题。2017年，该公司在甲醇精馏装置进行了先进控制（APC）试点，取得成功后，开始在转化合成装置推行。

转化合成装置的DCS控制采用系统化，操作多为手动控制或简易自动控制。自动控制利用率不高，且蒸汽压力等参数波动需操作人员频繁介入才能保证平稳运行。同时，两个装置均有较多的反应和热交换过程，装置的稳定性、工艺控制点的合理性对产量和能耗影响很大。为了提高生产效率，降低操作人员的劳动强度，公司开始实施转化合成装置先进控制APC项目。APC系统软件为戴尔公司软件，硬件为戴尔服务器。实施工作由APC技术团队承担，项目实施也取得了良好的效果。

先进控制范围和目标

先进控制简介

随着工业生产过程规模的扩大和复杂程度的增加，对关键产品质量和过程被控变量波动范围的要求越来越严格，常规PID控制系统已远远不能满足工业生产的要求。APC技术采用先进的控制理论和控制方法，以过程分析和数学模型计算为核心，以工厂控制网络和管理网络为信息载体，使生产过程控制由原来的常规PID控制过渡到多变量模型预测控制，最终达到增强装置运行稳定性、提高装置经济效益的目的。

先进控制系统是企业实现管控一体化的基础，是实现信息技术与自动化融合的重要手段。先进控制系统通过改善装置的工艺操作流程，可以解决常规PID控制难以解决的控制问题，在满足多重约束的条件下，保证安全稳定生产，协调优化整个生产过程。

通过实施先进控制，为操作人员提供了一种便捷的工具，承担大部分常规操作任务，可以提高过程动态控制的性能，减少过程变量的波动范围，使其更接近其优化目标值，从而实现生产设备的边缘控制，最终达到增强设备运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品的收率、增加设备加工能力、降低运行成本、减少环境污染等目的。

多变量模型预测控制器：以整个生产装置（或装置单元）为对象，根据各操作变量与被控变量之间的线性或非线性模型关系，采用先进的控制方法，对装置实施多变量协调统一控制，提高装置运行的稳定性，并在此基础上实现优化控制。

标准差：各数与系列平均值之差的平方和除以系列项数的平方根。它可以反映一组数据的分散程度。对于工艺参数，标准差越小，工艺参数越稳定。

软仪器（或过程计算）：生产过程中的某些关键控制变量（特别是质量参数）无法实时在线测量。

但在线分析仪价格昂贵、维护困难，且分析结果普遍存在较大的滞后性。通过根据已经测得的一些相关变量（如温度、压力、流量等）和工艺设备参数，通过形成一定的数学关系，实时推断出这些不可测量的关键变量，如质量指标，从而实现产品质量的闭环实时控制，如图1所示。

图1 APC数据控制框图

数据通信技术是通过专用数据接口与生产设备实时、双向交换数据，通过调节常规PID控制的给定值或阀位值实现控制功能的先进控制系统。计算机集成技术包括数据通信技术、DCS监控逻辑、无扰动切换技术等关键技术。数据通信技术是指通过专用数据接口与生产设备实时、可靠的交换数据，通过调节常规PID控制的给定值或阀位值实现控制功能的先进控制系统；DCS监控逻辑实现的功能包括：

（1）监视高级控制系统与DCS之间的通讯，一旦通讯中断，及时将各控制回路从高级控制器上切出，恢复到正常控制状态；

（2）检查DCS回路当前状态，判断是否满足调试条件。若满足，则将回路状态设置为正确的调试状态；若不满足，则将回路恢复到正常状态。另外，先进控制与常规PID控制的切换采用无扰动技术，切换过程不会对装置的正常运行造成任何干扰。人机界面是指先进控制系统所提供的友好的操作界面和系统设计、组态、维护、管理、运行监视和调节界面（简称工程师界面）。

先进控制的实施目标

实施先进控制，可以克服扰动和多变量耦合的影响，提高装置操作稳定性，并在此基础上通过边缘操作，提高生产能力和节能降耗；可以稳定生产条件，提高主要工艺参数的稳定性，在保证产品质量的前提下，使关键工艺参数的标准偏差降低30%以上；通过多变量控制器优化操作，最大限度增加合成气量，最大限度减少渗透气排放；可以降低蒸汽消耗；可以提高装置的自控率，减轻工艺人员的操作强度。

设备工艺描述

转换单元

来自煤气化装置的原料气进入原料气转化装置，在原料气/水分离罐中除去煤粉和少量冷凝水。由于煤粉无法测量且对优化结果没有影响，因此模型中不模拟该罐。来自原料气/水分离罐的原料气进入水煤气余热锅炉，产生1.27 MPaG蒸汽，降温至约215 ℃后进入第一气/水分离罐，冷凝水进入冷凝水罐。原料气转化反应器分为两段，装填有钴钼抗硫催化剂。

来自转化器旁路的未转化原料气在换热器下游的转化器中与转化后的转化气混合，混合气经低压锅炉给水加热器预热后进入低压余热锅炉，产出0.3MPaG蒸汽。来自低压余热锅炉的气体进入第二水分离器，气相经中压锅炉给水加热器预热后进入脱盐水加热器预热脱盐水，最后经转化水冷却器冷却后进入氨洗塔，脱除气体中的氨。脱氨气体进入低温甲醇洗装置。

低位清洗装置

转化出来的转化气进入低温甲醇洗单元，转化气经原料气换热器、净化气/CO2产品气/尾气冷却至-15℃以下，经气水分离器分离出甲醇-水溶液后，干燥的原料气进入甲醇洗吸收塔，经冷却器降温，脱除H2S、COS、CO2，净化气送往合成单元。

合成单元

来自低温甲醇洗装置的新鲜合成气经合成气压缩机、保护床反应器、进出口换热器进入甲醇合成塔。保护床反应器内装有有机硫水解催化剂，硫化物在此被脱除。合成塔入口温度由进出口换热器的旁通阀控制，但旁通阀目前处于全关状态，对转化炉入口温度起不到控制作用。转化炉反应产物经换热器后减压至7.83MPa(G)进入高压分离器。闪蒸得到的气相经循环气压缩机加压后大部分返回合成塔。

APC控制策略

变换合成装置APC由1个主控制器和2个子控制器组成：变换合成主控制器、变换单元子控制器、合成单元子控制器，具体如图2所示。

图2 控制器架构图

控制思路是：平稳控制关键工艺参数，降低操作人员劳动强度；统一考虑变换合成，增加低温甲醇洗塔进行塔控，控制合成CO2含量，优化合成反应氢碳比，优化循环气量，减少有效气排放量，提高粗甲醇产量。

网络安全策略

装置的APC服务器通过OPC与DCS进行通讯，先进控制系统服务器与DCS工程师站并联，具体网络结构图如图3所示。APC服务器完全按照工程师站防病毒标准进行防护，与外界无任何网络连接，基本杜绝了病毒的传入。同时在OPC服务器中设置了防火墙，防止和阻断病毒的入侵。

APC已取得成果

合成反应器压降和循环气流量

合成反应器压降和循环气流量受变换气中CO浓度和净化气中CO2浓度控制。理论上讲，在压缩机负荷允许的情况下，循环气流量越大，合成气进料量越大。由于循环气流量和合成反应器压降对变换气中CO浓度和净化气中CO2浓度的响应速度远快于对氢碳比的响应速度。因此，循环气流量成为变换合成装置衡量合成反应是否充分的最重要指标。循环气流量的大小受到循环气压缩机最大负荷的制约。APC投入使用后，合成反应器压降和循环气流量的标准差明显降低，循环气流量明显提高，具体数据见表1。

惰性气体

惰性气体为净化气中氩气和甲烷的总和，通过渗透气排放量来控制。但与合成反应器压力和低洗涤塔压力相比，惰性气体的优先性较低。在正常操作条件下，通过调节CO和CO2浓度来控制合成反应的氢碳比，然后将平衡转化为合成系统压力。只有通过惰性气体提高系统压力时，才通过增加渗透气排放量来控制惰性气体含量。使用APC后，惰性气体的标准偏差有所降低。详见表2。

反应堆热点温度

变换反应器的关键控制变量为反应床层上热点温度和下热点温度。变换反应器热点温度主要受CO浓度、反应器入口温度、第二床层温度三个旁路及水汽配比的影响，通过反应器入口温度和第二床层温度进行调节。同时根据反应周期内催化剂的活性适当调节水汽配比。APC投入使用后，反应器热点温度标准差明显减小，如表3所示。

合成气氢碳比

合成反应器入口氢碳比是合成反应的重要指标，是保证合成反应充分进行、最大限度提高粗醇收率的重要优化指标。氢碳比HCR-7002受转化气中CO浓度和净化气中CO2浓度控制，优化方向为最小化氢碳比。同时在满足氢碳比最优控制的条件下，净化气中CO2浓度向控制下限优化。但在实际投产过程中，净化气中CO2浓度受制于贫甲醇液经济性，无法实现实时最小化控制。氢碳比的优化完全受制于转化气中CO浓度，CO浓度最大调节量最终受制于循环量，无法满足氢碳比优化控制目标。 APC投入使用后，合成反应器入口氢碳比HCR-7002标准偏差明显减小，详见表4。

合成反应器压力

合成反应器压力受渗透气排放量控制，是渗透气排放量最优先的控制变量，优化方向为上限控制。APC投入使用后，合成反应器压力标准差明显降低，详见表5。

膜气量与渗透压差

通过渗透气排量和氢气压缩机入口压力来控制进膜气量与渗透压差，保证原料气在膜分离装置中的正向分离。APC投入使用后，进膜气量与渗透压差的标准偏差大大降低，详见表6。

中压蒸汽流至蒸汽加热炉

本控制器以蒸汽加热炉中压蒸汽流量为运行变量，以最大控制为优化目标，受蒸汽加热炉燃气阀门位置及上限卡边控制约束。投用APC控制后，蒸汽加热炉中压蒸汽流量明显提高，具体见表7。

APC 的优势

改造合成部分效益主要来源于最大限度提高合成循环气流量，提高合成气进料速度，使合成气在反应器内充分反应，减少有效气体排放，以单位煤进料生成的粗甲醇产品作为效益评价对象。

APC控制投入使用后，进入合成反应器的总气体量明显增加，有效气体排放量减少，通过实时调节CO浓度和渗透气排放阀门，粗甲醇产量相应提高。其中，纯煤进料量=煤浆流量*煤浆密度*煤浆浓度；单位煤产量粗甲醇=粗甲醇流量/（纯煤进料量）=FIQ-7013.PV/（纯煤进料量）。改造合成APC投入使用后，单位煤浆粗甲醇产量提高：（0.8849-0.8782）/0.8782*100%=0.76%。APC投入使用后，工艺生产操作参数更加稳定，装置自控率提高，操作人员操作强度降低。

综上所述

APC控制器提高了装置运行的稳定性，受控变量的稳定率平均提高46.6%。同时，通过实时调节CO浓度和渗透气排放阀门，进入合成反应器的总气体量明显增加，有效气体排放量减少，粗甲醇产量也相应增加。另外，合成反应器入口氢碳比是保证合成反应充分进行、最大限度提高粗醇收率的重要优化指标，氢碳比在较小的范围内波动较为稳定。最后，通过预测控制，提高了装置的自控率，降低了操作人员的劳动强度，实现了稳定、长期、最优的生产自动控制的目标。